Получение и выделение радиоактивных изотопов

Известно 3 основных пути получения радиоактивных изотопов:

1. Переработка руд урана (U) и тория (Тh), в которых в результате радиоактивного распада ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Тh образуются радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами от 81 до 91;

2. Проведение ядерных реакций на различного рода установках с последующим извлечением изотопов из облученных мишеней;

3. Извлечение изотопов из продуктов деления урана.

Кроме того, в природе содержатся ряд долгоживущих радиоактивных изотопов, способы отделения которых не разработаны.

Основными методами выделения и очистки радиоактивных изотопов является: экстракция, соосаждение, адсорбция, хроматография, электрохимическое и электролитическое выделение, отгонка, выщелачивание.

При радиоактивном распаде естественных радиоактивных изо­топов дочерние радиоактивные изотопы находятся в смеси с ма­теринским изотопом и в большинстве случаев с рядом других радиоактивных изотопов. Все указанные радиоактивные изотопы распределены в большой массе неактивного вещества, например в рудах урана и тория.

При облучении мишени ядерными частицами радиоактивные изотопы, получающиеся в результате ядерной реакции, также рас­пределены среди большой массы неактивных атомов. Кроме того, в мишени образуются радиоактивные примеси.

При делении ядра урана образуется сложная смесь радиоак­тивных изотопов ряда химических элементов. В связи с этим вста­ет задача концентрирования, отделения и очистки радиоактивных изотопов.

Если радиоактивный изотоп получен по ядерной реакции, иду­щей без изменения заряда ядра (п., γ: п, 2п; п, п; X, X; γ, п; d, ³H; d, p; изомерный переход), то отделение его от материала мишени может основываться лишь на эффекте отдачи, в результате кото­рой при соответствующем подборе мишени часть атомов радио­активного изотопа получается в отделимой от материнского веще­ства химической форме (иное соединение, иное валентное состоя­ние). В указанных выше реакциях необходима также очистка ра­диоактивного изотопа от радиоактивных примесей.

В случае образования радиоактивного изотопа в мишени по ядерной реакции, протекающей с изменением заряда ядра (п, р; п, α; р, п; р, γ; d, п; d, 2п; α, р; α, п; α- и β-распад и т. д.), его отделение не только .возможно, но и необходимо. При этом в ряде случаен отделение можно осуществить без добавления изотопного носителя и получить радиоактивный изотоп без носителя. В дру­гих случаях отделение проводится с разбавлением радиоактивного изотопа нерадиоактивным изотопом (изотопным носителем) дан­ного элемента, при этом может быть получен радиоактивный изотоп с носителем, имеющий удельную радиоактивность, которая зависит от количества введенного носителя. Так же как и в пер­вом случае, процесс выделения связан с очисткой от радиоактив­ных примесей.

Если радиоактивный изотоп получается в результате деления ядер или процесса глубокого расщепления, то его порядковый номер значительно отличается от порядкового номера элемента мишени, и, кроме того, он получается в сложной смеси радиоак­тивных изотопов. В этом случае выделение, как правило, прово­дится в два приема: разделение смеси радиоактивных изотопов на группы сходных элементов и далее разделение группы на от­дельные компоненты смеси.

Процесс отделения радиоактивного изотопа от материала ми­шени называется концентрированием и характеризуется коэффи­циентом обогащения, который представляет собой отношение ра­диоактивности единицы массы выделенного соединения данного элемента к радиоактивности единицы массы облученной мишени.

Основными методами выделения и очистки радиоактивных изото­пов являются: экстракция, соосаждение, адсорбция, хроматогра­фия, электрохимическое и электролитическое выделение, отгонка, выщелачивание.

39. Синтез меченных радиоактивными изотопами соединений.

химические соединения, отличающиеся изотопным составом от полученных из природного сырья, называются мечеными.

В настоящее время разработано много методов синтеза меченыхсоединений: прямой химический синтез, синтез изотопным обменом, синтез методом атомов отдачи, синтез в молекулярных и ионных пучках, синтез при β-распаде, биосинтез и др.

В производственной практике основное значение имеют прямой химический синтез, биосинтез и синтез изотопным обменом.

Синтез радиоактивных веществ имеет свои специфические особенности. Исходным для синтеза веществом служит не любое удобное соединение, а то, которое получают в процессе производства изотопа, вводимого в соединение. Количества веществ, которые берутся для синтеза, малы, так как ограничено количество радиоактивного изотопа, вводимого в реакцию, а разбавление неактивным веществом часто недопустимо, так как при этом снижается удельная активность продукта реакции. При реакции необходимо учитывать возможность радиационного разложения вещества под действием собственного излучения. Путь синтеза должен быть максимально коротким (наименьшее число стадий синтеза), по возможности без побочных реакций, приводящих к потере радиоактивного изотопа. Синтез должен проводиться в условиях, отвечающих правилам техники безопасности при работе с радиоактив­ными веществами (герметичность аппаратуры, боксы и специаль­ные вытяжные шкафы для работ с радиоактивными веществами, защитные экраны; необходимо проведение «холодного» — без радиоактивных изотопов опыта, воспроизводящего опыт с радиоак­тивными веществами, и т. д.).

Номенклатура меченых соединений дает информацию о изотопе, введенном в молекулу, и о его положении в ней. Фосфорную кислоту, меченную радиоактивным изотопом фосфора ³²Р, называют фосфорной-³²Р кислотой, и формулу ее записывают следующим образом — Н₃³²Р0₄, обозначая меченый атом его массовым числом слева вверху у символа элемента.

Если в молекуле содержится несколько одинаковых атомов, то в названни соединения и формуле обозначается положение изотопного атома, например. пропионовая-2-¹⁴С кислота — СН₃¹⁴СН₂СООН — содержит изотоп углерода ¹⁴С в α-положении. Молекула может быть помечена и во всех положениях данного вида атомов.

При небольших удельных активностях в меченой молекуле содержится не более одного изотопного атома, поэтому, например, пропионовая кислота, меченная ¹⁴С по всех положениях углерода в молекуле, представляет собою смесь 14СН₃СН₂СООН, СН₃¹⁴СН₂СООН и СН₃СН₂¹⁴СООН и записывается как пропноновая-1,2,3-¹⁴С кислота. Такие смеси называют многократно межмолекулярно-меченными. Если удельная активность исходного для синтеза соединения достаточно велика, то в одной молекуле может оказаться более одного изотопного атома. Такие соединения называются многократно меченными. Многократно меченная пропионовая кислота ¹⁴СН₃¹⁴СН₂¹⁴СООН записывается так: пропионовая- 1,2,3-³С₃ кислота. Цифра 3 внизу при символе изотопа показывает, что молекула трехкратно меченная. Иногда по отношению к многократно меченным молекулам, имеющим одинаковую удельную активность во всех положениях, применяют термин равномерно меченных.

Многократно меченные соединения могут содержать и различные изотопные атомы. Например, ¹⁴СН₃С³Н₂СООН — пропионовая-3-^,14С-2-³Н₂ кислота. Обычно наряду с многократно меченными молекулами в смеси с ними содержатся молекулы естественною изотопного состава и однократно меченные, в нашем примере кроме молекул естественного состава — пропионовая-3-¹⁴С кислота и пропионовая-2-³Н кислота.

Синтез радиоактивных веществ, имеющих в молекуле несколько химически неравноценных атомов одного элемента, должен иметь такую схему, при которой радиоактивные изотопы занимают строго определенные положения в молекуле.